当期目录

2024年 第44卷 第3期    刊出日期：2024-09-15

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核聚变工程

HL-3 装置极向场电源环流控制研究

姚巨堃, 李维斌, 吴 一, 郑 雪

2024, 44(3):  249-255.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403001

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为了实现 HL-3 装置等离子体位形控制无死区，不仅需要 HL-3 装置极向场电源具备四象限有环流运行能力而且具备可控且快速过零的特点。根据 HL-3 PF 电源的拓扑结构和负载特点，推导了四象限电源的环流数学模型，提出了通过实时调节晶闸管导通角来实现环流控制的策略。通过 PSIM 仿真平台搭建了电源有环流控制仿真模型。仿真结果表明，这种控制策略能够在不同控制目标下实现负载电流快速平稳过零且环流区间零点停留时间小于 2ms。研究结果为 HL-3 装置先进位形等离子体放电稳定控制提供了保障。

HL-3 装置电子回旋共振加热系统中上斜一号天线光路的改进与测试

郑万欣, 叶际若, 陈罡宇, 张 峰, 黄 梅

2024, 44(3):  256-261.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403002

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针对 HL-3 装置等离子体实验的不同目的，为电子回旋共振加热系统设计了 3 组发射天线，其中上斜一号天线包含两束微波，其主要功能是控制 MHD 的不稳定性及实时抑制新经典撕裂模(NTM)。要实时控制与抑制 NTM不稳定性， 需要依靠天线快速改变注入角度，向磁岛位置发射微波。针对之前光路设计存在的问题，对上斜一号天线聚焦镜进行了重新设计，并完成了加工制造。在光线测试平台使用激光模拟微波，测试了此天线的性能。经测试天线左右两电机在满量程(入射角度−15°~−80°)运行时的最快变化时间分别为 189.875ms 和 189.5ms。测试结果表明，天线控制精确、快速，达到了装置实验使用的要求。

HL-3 装置碳基第一壁系统地震响应谱分析

唐 乐, 蔡立君, 卢 勇, 袁应龙, 侯吉来, 张 龙, 刘宽程, 赖春林

2024, 44(3):  262-266.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403003

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针对 HL-3 碳基第一壁系统进行了地震工况分析。建立了包含装置主体系统的整体模型，通过模态分析获得第一壁系统的基本动力学特征。采用响应谱法对第一壁分析模型进行地震分析，计算出第一壁结构在工况下的变形和应力分布。分析结果表明，碳基第一壁满足结构设计安全性要求。

CFETR ECRH 系统发射天线的初步结构设计与分析 

张立元, 王晓洁, 吴大俊, 汤允迎, 王瀚林, 刘甫坤

2024, 44(3):  267-274.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403004

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电子回旋共振加热(ECRH)是中国聚变工程实验堆(CFETR)实现科学目标必不可少的辅助加热和电流驱动方式。 发射天线是电子回旋共振加热系统的核心部件之一。为获得等离子体最佳的电流驱动效率，从发射天线的总体方案、波束的传输、波束的汇聚与发射、中子屏蔽、维护方案等方面对 ECRH 系统顶部发射天线的初步结构进行了设计。ECCD 发射天线通过多波束汇聚方式，在 CFETR 装置紧凑的顶部颈管内，实现了2 组 9 波束微波功率注入至等离子体共振层。发射天线采用颈管插塞式结构设计，有利于中子屏蔽设计和遥操作维护。通过流-热-固耦合仿真分析，为天线发射镜设计了有效的主动冷却方案。本文的分析和设计，为 ECRH 发射天线进一步的详细工程设计奠定了基础。

CFETR 偏滤器低温泵抽气系统的设计和有效抽速的计算 

张西洋, 许铁军, 姚达毛

2024, 44(3):  275-281.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403005

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中国聚变工程实验堆(CFETR)提出了混合偏滤器-包层集成概念，偏滤器下方被增殖包层占据。偏滤器抽气通道设计在增殖包层内，满足有效抽气流量为 250Pa·m3 ·s^-1的工程设计要求。基于真空流导计算理论设计了偏滤器低温泵抽气系统，计算比较了不同截面形状下偏滤器低温泵抽气系统的流导和单台低温泵在偏滤器抽气通道入口的有效抽速。在增殖包层内设计正方形截面形状的抽气通道更为合理，可同时满足粒子排除要求和增殖包层强度要求。当正方形截面尺寸为 350mm×350mm，偏滤器低温泵抽气系统流导为 12.08m³ ·s^-1 ，单台低温泵在偏滤器抽气通道入口的有效抽速为 9.905m³ ·s^-1 时， 26 台低温泵可满足粒子排除要求，假设一个下窗口设置 2 台低温泵，低温泵共占用 13 个下窗口。基于理论公式设计了偏滤器低温泵抽气系统和评估了偏滤器的粒子排除能力，为后续 CFETR 的偏滤器抽气通道优化和有效抽速评估提供了理论依据和参考。

基于 Fluent 的球形托卡马克装置磁体的水冷结构设计 

李 宁, 徐 皓, 杨庆喜, 陈 建, 陈仕琳, 陆 坤

2024, 44(3):  282-289.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403006

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应用 Fluent 软件对 SUNIST-2 球形托卡马克磁体内部流动与传热进行了数值模拟，对磁体的水冷结构设计进行了优化。依据 SUNIST-2 特定的工作状态，分别对磁体水冷系统在多种流速及不同进口温度条件下的性能进行了仿真分析， 对比了各条件下的冷却效能与压力降。模拟研究表明，基于数值模拟优化的磁体水冷结构方案，显著增强了磁体在实际运行状态下的稳定性与安全性。加工后的磁体水冷结构的压力降测试的实验结果验证了数值模拟的结论。 

EAST 准直测量基准控制网升级改造方案的设计及实施

顾永奇, 郑元阳, 袁 忠, 王 俊, 魏文琪

2024, 44(3):  290-296.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403007

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为了获得更高等离子体运行参数和更长的运行时间，对 EAST 装置进行了升级改造。介绍了在 EAST性能升级改造过程中，准直测量基准控制网改造升级方案。增加了基准点的数量，优化了基准点的布局，采用水准仪和多台站激光跟踪仪对内外基准控制网进行多路径测量，并利用 SA 软件进行统一空间测量网络(USMN)的三维平差分析计算。通过测量数据分析，获得准直测量基准控制网的实测平均测量不确定度为 0.039mm，最大测量不确定度为 0.176mm，优于设计要求平均测量不确定 0.15mm和最大测量不确定度 0.20mm，满足了 EAST升级改造后新型偏滤器及关键部件的安装需求。

CRAFT NNBI 束源高温冷却水系统设计与分析

夏文颖, 杨 雷, 胡纯栋, 郭 斌, 朱黎黎, 李炜葆

2024, 44(3):  297-303.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403008

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介绍了聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)中负离子源中性束注入冷却水系统的初步设计以及热工水力分析，采用 Flowmaster 软件建立热工水力模型，采用 PID 控制实现精确的温度控制。仿真结果表明，温度、压降和温度控制精度满足供水温度 150~200℃/温度精度±0.5℃的运行要求。研究结果将为 NNBI 冷却水系统热工水力分析和温度控制提供参考。

紧凑环芯部加料装置用大电流高重频脉冲电源系统的研制

李运海, 叶 扬∗, 唐良浩, 谭名昇, 童 义, 杨 荣, 谢晓峰, 邓天白, 孔德峰, 陶 骏

2024, 44(3):  304-311.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403009

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紧凑环注入(CTI)技术是聚变装置实现堆芯加料的有效手段，为实现 CTI 设计了一套大电流、高重复频率脉冲电源系统。对等效后的 RLC 二阶放电电路进行集总参数计算公式推导，得出了放电电流峰值、半波周期等关键参数的计算公式，并设计了四路脉冲电源的基本参数；进一步进行了参数建模仿真，给出仿真波形和结果参数。对关键的放电开关器件进行分析选型，并设计电源低感安装结构。在全超导托卡马克紧凑环注入装置(EAST-CTI)上对电源进行了放电测试，通过远 程控制软件灵活设置参数和控制电源的工作时序，实际放电波形、输出电流参数与理论计算和仿真吻合性好。电源系统的峰值电流超过 300kA，重复频率为 2Hz，这表明所设计的电源系统可以有效地应用于紧凑环注入装置，并具有良好的工程实用价值。 

氦冷固态包层第一壁内插扭带强化换热研究

杨宇翔, 王紫荆, 雷明准

2024, 44(3):  312-317.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403010

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针对氦冷固态包层第一壁换热能力不足，通过在第一壁冷却管道内插入扭带进行强化换热。基于工程流体力学理论和 CFD 软件进行了第一壁的热流体分析。研究了在相同工况下不同扭带参数对换热效果的影响。结果表明，扭带可以有效提高第一壁的换热能力，在结构参数为带厚 3mm、带宽 11mm、扭率 2.5 时换热效果最佳，第一壁内壁面平均换热系数提升了 7.9%，结构温度升高量降低了8.6%。

未来聚变堆绝缘材料 G10 放气性能测试与分析 

吉海标, 邢银龙, 吴杰峰, 刘志宏, 文 伟, 林晓东

2024, 44(3):  318-322.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403011

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设计并搭建了 CFETR 中绝缘材料样品 G10 材料的放气率测试平台，测量了两种 G10 材料的放气率，为未来聚变堆绝缘材料 G10 的选用提供参考。

钐钴永磁流量计研制与锂铅自然对流回路流速测量 

赵 耀, 孙振超, 张秀杰, 潘传杰, 王 磊

2024, 44(3):  323-327.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403012

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介绍了钐钴永磁流量计的研制过程，包括材料选取、结构设计、运行原理及内部磁场分布状态。利用镓铟锡高温冲刷回路与商用流量计对其进行了校准比对，结果显示校准后的平均流速约为钐钴永磁流量计测量值的 1.8 倍。将校准后的结果运用于液态锂铅自然对流回路的流速测量，并与商业软件 ANSYS Fluent 模拟计算结果进行对比，二者之间的误差约为 23.3%，并对误差进行了分析。通过实验与分析，确定锂铅自然对流回路的流速范围约为 0.05~0.06m·s^-1 。

等离子体物理

HL-3 装置欧姆等离子体中高频磁流体不稳定性的实验观测

杨秋磊, 陈 伟, 张 洁, 程时葵, 梁绍勇, 张轶泼, HL- 实验团队

2024, 44(3):  328-333.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403013

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在 HL-3 装置 1MA 电流等离子体欧姆放电实验期间，米尔诺夫(Mirnov)探针测量到两种高频磁流体(MHD)不稳定性。在等离子体启动阶段，电流爬升受到抑制，碘化钠探测器测量到逃逸电子增加。同时 Mirnov 探针测量到多分支频率 f 为 20~400kHz 的高频 MHD 不稳定性。结果表明，这种不稳定性的出现与逃逸电子增加密切相关，并抑制了等离子体电流的爬升，损失了大约 7%伏秒数。等离子体电流和密度爬升时，Mirnov 探针测量到频率 f 为 110~160kHz 的高频 MHD 不稳定性。这种不稳定性频率与芯部阿尔芬频率成正比，处于环向阿尔芬本征模频率范围。随着这种不稳定性的演化，等离子体发生了破裂。这些高频 MHD 不稳定性的研究对于 HL-3 后续放电及未来 ITER 的初始放电有重要的参考意义。

HL-2A 装置上刮削层丝状结构时空特征的实验研究

朱有敬, 程 钧, 严龙文, 王威策, 黄治辉, 吴 娜, 许宇鸿, 石中兵, 季小全, 钟武律, 许 敏

2024, 44(3):  334-342.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403014

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在 HL-2A 装置上，采用环向相距 2100mm 的组合探针阵列研究了刮削层涨落谱特征和阵发性丝状结构(blob) 动力学过程。实验结果表明，沿磁力线方向静电涨落具有强的环向长程相关性，平行波数接近 0，符合交换模的特征。电子回旋共振加热(ECRH)期间，在最后闭合磁面外侧形成径向宽度约 1.0cm 的 E×B 剪切层，它对经过该区域的 blob 具有一定的拉伸作用。条件平均方法分析指出，ECRH 期间相比于欧姆加热条件下 blob 极向尺寸仅增加了 20%~30%，但 blob 内部电势差增大了约 40%~60%，暗示了 blob 内部电势差增加是导致 blob 径向速度增加的主要原因。这些实验结果为 ECRH 期间观察到 blob 阵发性输运的增加提供了一种解释，对理解 blob 径向速度定标律以及控制 blob 对流输运具有重要的意义。

离子温度梯度模湍流扩散特性的量化描述

田 辉, 李继全

2024, 44(3):  343-350.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403015

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采用回旋动理学模型对无剪切平板位形中离子温度梯度模(ITG)湍流扩散的物理特性进行了数值模拟研究。提出了湍流有效扩散距离的描述方法，定量地讨论了湍流扩散性质对磁场位形因子和离子温度梯度特征长度的依赖关系。结果显示，随着极向磁场的减小，湍流扩散增强；随着离子温度梯度特征长度的增加，湍流扩散减弱。更重要的是，通过对比 ITG 和 ETG 湍流以及不同碰撞阻尼下的 ITG 湍流中的湍流扩散特征，论证了带状流对 ITG 湍流扩散的影响。模拟结果表明，在此模型下，带状流对湍流扩散具有明显的抑制作用。

抗磁漂移对边缘局域模影响的数值模拟研究

周煜捷, 郝广周, 朱毅仁, 薛 淼

2024, 44(3):  351-358.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403016

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使用 BOUT++三场模型，针对 HL-3 装置混合运行模式，数值模拟研究了抗磁漂移对 ELM 的影响。研究结果表明，抗磁漂移对 ELM，尤其是高环向模数的气球模具有显著的致稳作用，使模式从高环向模数的气球模主导转换为低环向模数的剥离模主导。研究还发现，抗磁漂移的径向分布的不均匀性会导致 ELM 模结构的变形。通过对 ELM 幅度的分析发现，抗磁漂移可以减小 ELM 幅度，这对 HL-3 未来混合运行模式中如何有效控制 ELM 具有一定的参考价值。

CFQS 中离子温度梯度模的同位素效应研究 

覃 程, 黄 捷, 李沫杉

2024, 44(3):  359-366.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403017

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基于中国首台准环对称仿星器(CFQS)，利用回旋动理学弗拉索夫代码 GKV 率先开展准环对称仿星器中离子温度梯度模(ITG)的同位素效应研究。模拟结果表明，CFQS 中存在明显的 ITG 同位素效应，随着氢同位素质量的增加，ITG 的增长率显著下降。通过扫描等离子参数，如不同氢同位素混合的比例、密度梯度以及离子与电子温度比，研究了这些等离子体参数下 CFQS 中同位素效应的变化。此外，在不同的环向或径向位置处研究了 CFQS 的三维磁场位形对 ITG 同位素的影响，发现 ITG 的同位素效应在不同的环向和径向位置均普遍存在。

Soret 和 Dufour 效应耦合对 HL-2A 偏滤器靶板氘浓度与温度双扩散的影响

邵利华, 刘泽康, 栗再新, 才来中

2024, 44(3):  367-372.  DOI: 10.16568/j.0254-6086.202403018

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在 L/H 模放电情况下，考虑 Soret 和 Dufour 效应耦合影响，用 JD-CF 程序研究了 HL-2A 偏滤器靶板中氘粒子浓度、温度、滞留量随时间变化影响。结果表明，在 L/H 模放电下，Soret 和 Dufour 效应会对不同靶板材料(RAFM 钢/钨) 内不同位置处氘浓度分布、温度分布、氘滞留量产生一定影响，其最大变化率约为 10%。在 H 模放电下 Soret 和 Dufour 效应对靶板的影响比在 L 模放电下的更明显，且对 RAFM 钢的影响比对钨的更明显。该研究结果对研究边缘等离子体输运、 聚变堆燃料再循环、氚的滞留及投料量有一定参考价值。